激光冲击强化S32205双相不锈钢抗点蚀性能研究

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关键零部件的腐蚀破坏是海工与化工装备的主要失效形式,而材料表面性能是主导抗腐蚀性能的关键因素。S32205双相不锈钢作为一种重要的海洋工程和化学化工材料,其性能决定了零部件的服役寿命。因此,对S32205双相不锈钢进行表面改性以提高其在复杂环境下的抗腐蚀性能对海工和化学化工装备的服役性能具有重大的意义。激光冲击强化作为一种非接触性表面强化方法,通过超高压等离子体冲击波轰击靶材,使材料表层产生剧烈地塑性变形,引入高幅值残余压应力,并诱导晶粒细化甚至相变,能够显著提升材料的力学与抗腐蚀性能。本文以S32205双相不锈钢为对象,系统地研究激光冲击强化对S32205双相不锈钢表面完整性和抗腐蚀性能的影响,揭示了激光冲击强化S32205双相不锈钢抗点蚀性能提升的机制。论文的主要内容与结果如下:(1)本文基于激光冲击波传播理论与塑性变形理论,经过计算与分析获得了最佳激光工艺参数,设计了合理的实验方案。通过X射线技术,显微硬度计和共聚焦显微镜系统地研究了激光冲击强化前后试样表面完整性的变化,结果表明:强化试样的表面粗糙度小幅增加;激光冲击强化能在消除试样表层拉应力的同时在奥氏体与铁素体内产生了高幅值的残余压应力,两相的残余压应力峰值随着激光能量地增加而增大;强化后试样的表层发生晶粒细化,表层的双相组织内部位错密度与微观应变大增,晶粒细化和位错增值现象使强化试样的显微硬度从表层向基体内部递减;激光冲击过程强化试样表面发生马氏体相变,没有产生σ相。(2)使用电化学腐蚀实验对激光冲击强化前后试样在4mol/L Na Cl溶液中的抗点蚀性能进行测试,结果表明:强化试样的开路电位正移,钝化电流密度与自腐蚀电流密度降低,自腐蚀电压与点蚀电压增大。同时强化试样的奈奎斯特半径增大,腐蚀形貌的点蚀坑密度降低,铬元素在表面富集。激光冲击强化后,试样的抗点蚀性能明显增强。结合残余应力强化与细晶强化理论,总结了S32205双相不锈钢抗点蚀性能提升的机制:激光冲击诱导的残余压应力增强了钝化膜的自我修复能力和致密性,晶粒细化为钝化膜的生长提供更多的成核点,改善了钝化膜的均匀性,更均匀和更致密钝化膜地形成能更有效地抵抗点蚀的破坏。(3)使用电化学腐蚀实验对激光冲击强化前后试样在0.5mol/L H2SO4溶液中的抗点蚀性能进行测试,结果表明:强化试样的开路电位、腐蚀电压与点蚀电压增大,钝化电流密度与自腐蚀电流密度降低,奈奎斯特半径增大。腐蚀形貌中,强化试样的点蚀坑大小与密度降低,铬元素在表面富集,表面的点蚀同样能被抑制。根据细晶强化理论,总结了S32205双相不锈钢抗点蚀性能提升的机理:酸性溶液导致试样表面Cr/Fe比例地增加,晶粒细化为铬元素提供更多的扩散路径,降低了氧化铬的形成难度,氧化铬和铬元素在钝化膜中富集能够有效地增强材料的耐点蚀性能。
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